import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Stack;

/**
 * 二分搜索树
 * @param <E>
 */
public class BST<E extends Comparable<E>> {

    private class Node {
        public E e;
        public Node left, right;

        public Node(E e) {
            this.e = e;
            this.left = null;
            this.right = null;
        }
    }

    private Node root;
    private int size;

    public BST() {
        root = null;
        size = 0;
    }

    public int size() {
        return this.size;
    }

    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    /**
     * 向二分搜索树中添加新的元素e
     * @param e
     */
    public void add(E e){
        if (root == null){
            root = new Node(e);
            size++;
        }else {
            add(root,e);
        }
    }

    /**
     * 向以node为根的二分搜索树中插入元素e，递归算法
     * @param node
     * @param e
     */
    private void add(Node node, E e){
        // 递归终止条件
        if (e.equals(node.e)){
            return;
        } else if (e.compareTo(node.e) < 0 && node.left == null) {
            node.left = new Node(e);
            size ++;
            return;
        } else if (e.compareTo(node.e) > 0 && node.right == null) {
            node.right = new Node(e);
            size ++;
            return;
        }
        // 进行左右子树比较，进行递归
        if (e.compareTo(node.e) < 0){
            add(node.left,e);
        }else {
            add(node.right,e);
        }
    }

    public void add2(E e){
        // 如果二分搜索树为null，则插入一个元素返回的元素就是自己的根
        root = add2(root,e);
    }

    /**
     * 以上方法的更简洁的写法
     * 返回插入新节点之后二分搜索树的根
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private Node add2(Node node, E e){
        if (node == null){
            size ++;
            return new Node(e);
        }

        if (e.compareTo(node.e) < 0){
            node.left = add2(node.left,e);
        }else if (e.compareTo(node.e) > 0){
            node.right = add2(node.right,e);
        }
        // 将插入后的二分搜索树的根返回给调用函数
        return node;
    }

    /**
     * 查询 看二分搜索树中是否包含元素e
     * @param e 要搜索的元素
     * @return 布尔值
     */
    public boolean contains(E e){
        return contains(root, e);
    }

    /**
     * 看以node为根的二分搜索树中是否包含元素e，递归算法
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private boolean contains(Node node, E e){
        if (node == null){
            return false;
        }
        if (e.compareTo(node.e) == 0){
            return true;
        }else if (e.compareTo(node.e) < 0) {
            return contains(node.left, e);
        }else {
            return contains(node.right, e);
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的前序遍历
     */
    public void preOrder(){
        preOrder(root);
    }

    /**
     * 前序遍历以node为根的二分搜索树，递归算法
     * @param node
     */
    private void preOrder(Node node) {
        if (node == null){
            return;
        }
        System.out.println(node.e);
        preOrder(node.left);
        preOrder(node.right);
    }

    /**
     * 非递归实现二分搜索树前序遍历
     */
    public void preOrderNR(){
        Stack<Node> stack = new Stack<>();
        stack.push(root);
        while (!stack.isEmpty()){
            Node cur = stack.pop();
            System.out.println(cur.e);

            if (cur.right != null) {
                stack.push(cur.right);
            }
            if (cur.left != null) {
                stack.push(cur.left);
            }
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的中序遍历
     */
    public void inOrder(){
        inOrder(root);
    }

    /**
     * 中序遍历以node为根的二分搜索树，递归算法
     * @param node
     */
    private void inOrder(Node node) {
        if (node == null){
            return;
        }
        inOrder(node.left);
        System.out.println(node.e);
        inOrder(node.right);
    }

    /**
     * 二分搜索树的后序遍历
     */
    public void postOrder(){
        postOrder(root);
    }

    /**
     * 后序遍历以node为根的二分搜索树，递归算法
     * @param node
     */
    private void postOrder(Node node) {
        if (node == null){
            return;
        }
        postOrder(node.left);
        postOrder(node.right);
        System.out.println(node.e);
    }

    /**
     * 二分搜索树的层序遍历
     */
    public void levelOrder(){
        Queue <Node> q = new LinkedList<>();
        q.add(root);
        while (!q.isEmpty()){
            Node cur = q.remove();
            System.out.println(cur.e);

            if (cur.left != null){
                q.add(cur.left);
            }
            if (cur.right != null){
                q.add(cur.right);
            }
        }
    }

    /**
     * 寻找二分搜索树的最小元素，即整个二分搜索树中最左边结点
     * @return
     */
    public E minimum(){
        if (size == 0){
            throw new IllegalArgumentException("BST is empty!");
        }
        return minimum(root).e;
    }

    /**
     * 返回以node为根的二分搜索树的最小值所在节点
     * @param node
     * @return
     */
    private Node minimum(Node node) {

        if (node.left == null){
            return node;
        }
        return minimum(node.left);
    }
    /**
     * 寻找二分搜索树的最大元素，即整个二分搜索树中最右边结点
     * @return
     */
    public E maximum(){
        if (size == 0){
            throw new IllegalArgumentException("BST is empty!");
        }
        return maximum(root).e;
    }

    /**
     * 返回以node为根的二分搜索树的最大值所在节点
     * @param node
     * @return
     */
    private Node maximum(Node node) {

        if (node.right == null){
            return node;
        }
        return maximum(node.right);
    }

    /**
     * 从二分搜索树中删除最小值所在节点，返回最小值
     * @return
     */
    public E removeMin(){
        // 将要删除的最小值节点查询出来返回
        E ret = minimum();
        // 如果要删除的元素不是当前树的根，则调用方法后，经过层层递归后，返回的参数依然还会是当初首次调用时候传的参数
        // 如果要删除的元素是当前树的根，则调用方法后，会将右子树返回回来
        root = removeMin(root);
        return ret;
    }

    /**
     * 删除掉以node为根的二分搜索树中的最小节点，返回删除节点后新的二分搜索树的根
     * @param node
     * @return
     */
    private Node removeMin(Node node){
        // 如果当前节点已经没有左子树了，证明该节点是最小值
        // 待删除的节点为最左边，但是可能右子树，所以
        // 有先将待删除的右子树节点保存起来
        if (node.left == null){
            Node rightNode = node.right;
            // 断开待删除节点
            node.right = null;
            size --;
            // 将删除的节点的后继返回
            return rightNode;
        }

        // 当还没有找到最小的节点，则走这边递归的去寻找最左边节点
        node.left = removeMin(node.left);

        return node;
    }

    /**
     * 从二分搜索树中删除最大值所在节点，返回最大值
     * @return
     */
    public E removeMax(){
        // 将要删除的最大值节点查询出来返回
        E ret = maximum();
        // 如果要删除的元素不是当前树的根，则调用方法后，经过层层递归后，返回的参数依然还会是当初首次调用时候传的参数
        // 如果要删除的元素是当前树的根，则调用方法后，会将右子树返回回来
        root = removeMax(root);
        return ret;
    }

    /**
     * 删除掉以node为根的二分搜索树中的最大节点，返回删除节点后新的二分搜索树的根
     * @param node
     * @return
     */
    private Node removeMax(Node node){
        // 如果当前节点已经没有右子树了，证明该节点是最大值
        // 待删除的节点为最右边，但是可能左子树，所以
        // 有先将待删除的左子树节点保存起来
        if (node.right == null){
            Node leftNode = node.left;
            // 断开待删除节点
            node.left = null;
            size --;
            return leftNode;
        }

        // 当还没有找到最大的节点，则走这边递归的去寻找最右边节点
        node.right = removeMax(node.right);

        return node;
    }

    /**
     * 从二分搜索树中删除元素为e的节点
     * @return
     */
    public void remove(E e){
        root = remove(root,e);
    }

    /**
     * 删除以node为根的二分搜索树中值为e的节点，递归算法
     * 返回删除节点后新的二分搜索树的根
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private Node remove(Node node, E e) {
        if (node == null){
            return null;
        }
        if (e.compareTo(node.e) < 0){
            node.left = remove(node.left,e);
            return node;
        } else if (e.compareTo(node.e) > 0) {
            node.right = remove(node.right, e);
            return node;
        } else {    // e == node.e
            // 如果该节点的左子树为空，则只需要将该节点的右子树保存下来删除该节点之后将该节点的右子树返回即可
            if (node.left == null){
                Node rightNode = node.right;
                node.right = null;
                size --;
                return rightNode;
            }
            if (node.right == null){
                Node leftNode = node.left;
                node.left = null;
                size --;
                return leftNode;
            }
            // 待删除节点左右子树均不为空的情况
            // 1962年，Hibbard提出-Hibbard Deletion
            // 找到比待删除节点大的最小节点，即待删除节点右子树的最小节点
            Node successor = minimum(node.right);
            // 用这个节点顶替待删除节点的位置
            successor.right = removeMin(node.right);
            size ++;
            successor.left = node.left;

            node.left = node.right = null;
            size --;

            return successor;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        generateBSTString(root, 0, res);
        return res.toString();
    }

    /**
     * 生成以node为根节点，深度为depth的描述二叉树字符串
     * @param node
     * @param depth
     * @param res
     */
    private void generateBSTString(Node node, int depth, StringBuilder res) {
        if (node == null){
            res.append(generateDepthString(depth) + "null\n");
            return;
        }

        res.append(generateDepthString(depth) + node.e + "\n");
        generateBSTString(node.left, depth + 1, res);
        generateBSTString(node.right, depth + 1, res);
    }

    /**
     * 生成二叉树深度的图示
     * @param depth
     * @return
     */
    private String generateDepthString(int depth) {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < depth; i++){
            res.append("--");
        }
        return res.toString();
    }
}
